CC BY
13
УДК 66.03;661.254
Р. А. Халитов, И. Н. Степанов, И. А. Латыпов,
А. Ф. Махоткин, К. Р. Валеева
ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРВОЙ ПО ХОДУ ГАЗА
СТУПЕНИ ВИХРЕВОЙ КОЛОННЫ ДЕНИТРАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ КИСЛОТ
Ключевые слова: вихревая контактная ступень, денитрация отработанных кислот, гидравлическое сопротивление, брызго-
унос, удерживающая способность.
Представлены результаты экспериментальных исследований гидравлического сопротивления, брызгоуноса и удерживающей способности первой по ходу газа ступени вихревой колонны денитрации отработанных кислотных смесей. Проведенные исследования показали, что разработанная конструкция вихревой контактной ступени обладает широким диапазоном устойчивой работы и большой пропускной способностью по газу и жидкости.
Keywords: vortex contact stage, denitration of waste acids, hydraulic resistance, entrainment, retention capacity.
Results of experimental studies of hydraulic resistance, splash-ash and the holding capacity of the first as the gas vortex stage columns denitration acid mixtures. Studies have shown that the developed design of the vortex contact stage has a wide range of stable work and a large pass-Noah capacity for gas and liquid.
Недостатком действующих в промышленности колонн денитрации является невысокая степень отгонки азотной кислоты и оксидов азота на первой по ходу пара (газа) ступени [1,2]. Вытекающая из колонн денитрации отработанная серная кислота не должна содержать азотную кислоту и оксиды азота. Однако существующие колонны денитрации не обеспечивают полной отгонки соединений азота, особенно в первой по ходу пара (газа) ступени. Поэтому на заводах отрасли в технологических регламентах производств установлено содержание соединений азота в пределах 0,03-0,05 % масс. Для полного удаления соединений азота можно использовать денитрирующие агенты, восстанавливающие их до азота, однако процесс восстановительной денитрации является длительным (5-40 мин) и для его осуществления необходимо дополнительное оборудование. Кроме того, в процессе восстановительной денитрации серная кислота охлаждается, что приводит к увеличению расхода природного газа и снижению производительности концентратора серной кислоты [3].
В этой связи надо стремиться к максимальной отгонке соединений азота в колонне денитрации, особенно на первой по ходу пара (газа) ступени. На первую по ходу пара (газа) ступень подается перегретый пар при температуре 200-250°С, и полнота отгонки соединений азота в значительной степени зависит от способа взаимодействия газовой и жидкой фаз на этой ступени.
Нами разработана новая конструкция вихревой колонны денитрации отработанных кислот [4], представленная на рис.1. Колонна изготовлена из высококремнистого чугуна - ферросилида марки ЧС - 15. Первая по ходу пара (газа) ступень колонны выполнена в виде вихревого устройства с двумя тангенциальными патрубками входа газа. Вторые и последующие по ходу газового потока ступени состоят из царг, на которых установлены завихрители и контактные патрубки. Описание конструкции этих ступеней представлено в работе [5].
Рис. 1 - Вихревая колонна денитрации: 1 - корпус; 2 - первая по ходу газа ступень; 3 - патрубок; 4 - каплеотбойник; 5 - патрубок входа кислоты; 6 - патрубок входа пара (газа); 7 - патрубок выхода кислоты; 8 - вихревая ступень; 9 -линия перетока кислоты
Первая ступень работает следующим образом. Отработанная серная кислота, содержащая остатки азотной кислоты и оксидов азота, по линии перетока кислоты 9 через патрубок 5 поступает на первую по ходу пара (газа) вихревую ступень колонны. Газовый поток входит в днище через патрубок 6. Серная кислота заполняет нижнюю часть днища, образуя при этом гидрозатвор и исключая про-
скок пара при работе колонны через зазор между контактным патрубком и днищем колонны.
Газовый поток проходит через тангенциальные патрубки 3 вихревого устройства 2, приобретает вращательное движение и раскручивает при этом кислоту, поступающую в вихревое устройство. В области сопряжения корпуса вихревого устройства с тангенциальными патрубками происходит интенсивное взаимодействие пара с жидкостью. Газовый поток дробит жидкость на капли, которые движутся по пересекающимся траекториям, сталкиваются между собой, сливаются и вновь дробятся. При этом развивается значительная площадь поверхности контакта фаз с высокой скоростью обновления. В верхней части вихревого устройства под каплеот-бойником 4 происходит сепарация жидкости из закрученного газожидкостного потока. Вся кислота, поступающая в нижнюю часть днища, контактирует с газом и отводится из царги колонны через патрубок 7. Благодаря этому достигается повышение полноты отгонки азотной кислоты и оксидов азота из отработанной серной кислоты. Такая организация взаимодействия фаз в вихревом газожидкостном потоке позволяет повысить производительность колонны.
Проводились исследования следующих гидродинамических характеристик первой ступени: гидравлического сопротивления сухой и орошаемой ступени, брызгоуноса жидкости со ступени и удерживающей способности по жидкой фазе. Исследовалась масштабная модель ступени в соотношении 1:3 к промышленному образцу. Исследования проводились в широком диапазоне изменения режимных параметров: расход воздуха изменялся от 4001200 м3/ч, что соответствовало изменению скорости газа в патрубках входа газа от 5 до 20 м/с; объемный расход подаваемой в вихревое устройство жидкости I изменялся в диапазоне 0,05 до 1,2 м3/ч, что соответствовало изменению плотности орошения тарелки (8тар =0,0863 м2), Ь = 1/8тар от 0,63 до 13,78 м3/м2-ч. Соотношение нагрузок по фазам Ь/О изменялось от 0,1 до 6 кг/кг.
Зависимость изменения гидравлического сопротивления вихревого устройства от скорости газа в щелях (патрубках входа газа) представлена на рис.2.
Гидравлическое сопротивление сухой ступени ДРсух пропорционально Wщ1'5, что соответствует развитому турбулентному режиму движения газового потока. Гидравлическое сопротивление орошаемой ступени (ЛРор) возрастает с увеличением плотности орошения ступени. Гидравлическое сопротивление орошаемой ступени находится в пределах 0,7-2 кПа. При этом в вихревом устройстве наблюдается развитый турбулентный вихревой режим движения газожидкостного потока. На основе обработки экспериментальных данных получено уравнение для расчета гидравлического сопротивления орошаемой ступени:
ЛРор = 0,167 + 0,04Ь + 0,052 + 0,167 Ь2 -0,002х х—щ- Ь + 0,0011 Wщ2, кПа (1)
Рис. 2 - Зависимость гидравлического сопротивления от скорости газа в щелях завихрителя при следующих плотностях орошения ступени (Ь, м3/м2-ч): ♦ - 0,63; А - 2,19; х - 2,98; * - 3,77; • - 4,7; + 7,25; 0 - 10,42; о - 13,78; ▲ - АРсух
Результаты исследования брызгоуноса из вихревой ступени представлены на рис.3.
Рис. 3 - Зависимость относительного брызгоуноса жидкости со ступени от скорости газа в щелях при следующих плотностях орошения ступени (Ь, м3/м2-ч): ♦ - 0,63; ■ - 1,33; А - 2,19; х - 2,98; * - 3,77; + - 7,25; 0 - 10,42; о - 13,78
Брызгоунос жидкости на ступенях зоны денитрации нежелателен, так как он приводит к продольному перемешиванию жидкости в колонне и снижению движущей силы процесса. Величину межтарельчатого относительного уноса жидкости (е) (равную 0,1 кг жидкости на 1 кг жидкости подаваемой на ступень) принимают за верхнюю границу оптимального режима работы контактной ступени [5]. Повышенный брызгоунос жидкости со ступени (е>0,1) наблюдается при расходах жидкости Ь<0,2 м3/м2-ч и газа ^щ<10 м/с. При этом вихревое устройство работает в неустойчивом, пульсирующем режиме, основная часть жидкости движется в виде
газожидкостного потока в центре вихревого устройства и уносится газовым потоком на вышележащую ступень. С увеличением скорости газа в патрубках наблюдается снижение относительного брызгоуноса со ступени. В диапазоне скоростей газа = 12,0 -20,0 м/с наблюдается минимум брызгоуноса е<0,05. При этих скоростях газа и различных расходах жидкости наблюдается устойчивое вихревое вращательное движение газожидкостного потока по стенке вихревого устройства и надежная сепарация фаз в межтарельчатом пространстве.
В результате обработки экспериментальных данных получено уравнение для расчета относительного брызгоуноса со ступени: (при Ь=2 - 14 м 3/м2-ч)
е-103 = 285 - 14-Ь - 30"щ - 0,675-Ь2 + 0,16Wщ•L+
+0,88Wщ2, кг/кг;
(2)
Результаты исследования удерживающей способности вихревого устройства представлены на рис.4.
Рис. 4 - Зависимость объемной концентрации жидкости от плотности орошения ступени при следующих скоростях газа в щелях (№щ, м/с): ♦ -7,25; ■ - 9,66; А - 12,08; х - 14,49; * - 16,91; • - 19,32
Распределение жидкости и газа в газожидкостном потоке характеризуется удерживающей способностью по дисперсной фазе ю, под которой понимается количество дисперсной фазы (д, м3) удержанной в данный момент в единице объема (V, м3) сплошной фазы. Объемная концентрация жидкой фазы:
ю =
д
К<
м
м
где ¥ВКУ - объем вихревого контактного устройства.
Удерживающая способность имеет большое значение для проведения процессов массопередачи,
так как определяет величину поверхности контакта фаз и время контакта. Как видно из рис.4 с увеличением скорости газа в щелях наблюдается снижение объемной концентрации жидкости в вихревом устройстве. Увеличение плотности орошения ступени приводит к возрастанию объемной концентрации жидкой фазы. При скоростях газа в щелях вихревого устройства ^щ=10-15 м/с и плотностях орошения £=0,3-14 м3/м -ч достигается достаточно высокая объемная концентрация жидкой фазы в вихревом устройстве ю=0,2-0,3. Этому же диапазону расходов газовой и жидкой фаз соответствует низкий брызго-унос жидкости со ступени е<0,05 и невысокое гидравлическое сопротивление АР = 1-1,5 кПа.
В результате обработки экспериментальных данных получено уравнение для расчета объемной концентрации жидкой фазы:
ю-103 = 585 - 35,34^ - 62,5 - 1,16^2 - 0,6"щ^+
+1,82"щ2, м3/м3
(3)
Проведенные экспериментальные исследования показали устойчивую работу первого по ходу газа вихревого устройства в широком диапазоне изменения нагрузок по газовой и жидкой фазам.
Литература
1. Степанов И.Н. Анализ закономерностей процесса денитрации отработанных кислот в условиях производства нитратов целлюлозы /И.Н.Степанов, Р.А.Халитов, А.Ф.Махоткин // Вестник казанского технологического университета. - Казань: 2013. Т.16 - № 19 - С.116 - 118.
2. Степанов И.Н. Интенсификация процесса денитрации отработанных кислот в условиях производства нитратов целлюлозы / И.Н.Степанов, Р.А.Халитов, А.Ф.Махоткин // Вестник казанского технологического университета. -Казань: 2013. Т.16 - № 23 - С.57 - 60.
3. Халитов Р. А. Предотвращение туманообразования при концентрировании отработанной серной кислоты / Р. А. Халитов, О. В. Царева, Е. А. Махоткина // Вестник казанского технологического университета. - Казань: 2010. - № 10. - С. 293 - 299.
4. Патент РФ, № 2045322 Ш, Б.И. № 28, 1995 г. Колонна концентрирования и денитрации кислот /Халитов Р. А., Газизов Ф.М. Махоткин А.Ф.Иванов Г.А.Мартынов С.Н; заявитель и патентообладатель -Халитов Р.А. №5036630/26 заявл. 09.04.92 опубл. 10.10.95 Бюл. №28.
5. Халитов Р. А. Исследование гидродинамических характеристик вихревой контактной ступени для интенсификации процесса денитрации отработанных кислот в условиях производства нитратов целлюлозы / Р.А.Халитов, И.Н. Степанов, А. Ф. Махоткин // Вестник казанского технологического университета. - Казань: 2014. Т.17 -№ 1 - С.263 - 265.
6. Александров, И.А. Влияние уноса жидкости на эффективность тарелок полного перемешивания /И. А.Александров // Химия и технология топлив и масел, 1966, №12. - С. 37-39.
© Р. А. Халитов - д-р техн. наук, проф. кафедры ОХЗ КНИТУ, oxzkstu@rambler.ru; И.Н. Степанов - асп. той же кафедры; И. А. Латыпов - студ. той же кафедры; А. Ф. Махоткин - д-р техн. наук, проф. зав. кафедры ОХЗ КНИТУ; К. Р. Валеева -студ. той же кафедры.
